【行业浅谈】金属冲压加工的CAE市场技术板料成形分析

一、概述

　　板料成形是利用模具对金属板料的冲压加工，获得质量轻、表面光滑、造型美观的冲压件，具有节省材料、效率高和低成本等优点，在汽车、航空、模具等行业中占据着重要地位。由于板料成形是利用板材的变形得到所需的形状的，长期以来，困扰广大模具设计人员的主要问题就是较长的模具开发设计周期，特别是对于复杂的板料成形零件无法准确预测成形的结果，难以预防缺陷的产生，只能通过经验或类似零件的现有工艺资料，通过不断的试模、修模，才能成功。某些特殊复杂的板料成形零件甚至制约了整个产品的开发进度。

　　板料成形CAE市场技术及分析软件，可以在产品原型设计阶段进行工件坯料形状预示、产品可成形性分析以及工艺方案优化，从而有效地缩短模具设计周期，大大减少试模时间，帮助企业改进产品质量，降低生产成本，从根本上提高企业的市场竞争力。

　　通过比较，就可发现板料成形CAE技术的主要优点。

　　(1)通过对工件的可成形工艺性分析，做出工件是否可制造的早期判断；通过对模具方案和冲压方案的模拟分析，及时调整修改模具结构，减少实际试模次数，缩短开发周期。

　　(2)通过缺陷预测来制定缺陷预防措施，改进产品设计和模具设计，增强模具结构设计以及冲压方案的可靠性，从而减少生产成本。

　　(3)通过CAE市场分析应用不仅可以弥补工艺人员在经验和应用工艺资料方面的不足，还可通过虚拟的冲压模拟，提高提高工艺人员的经验。

　　二、板料成形需要解决的问题

　　板料成形通过模具对板料施加压力，使板料产生永久性的塑性变形，以获得预期的产品形状。在这个过程中影响板材变形的因素非常多，要控制好变形的形状也非常困难。首先，金属受外力作用会发生变形，变形可分为弹性变形和塑性变形，弹性变形是可逆的，外力去除后变形体就会恢复成原来的形状；第二，材料的成分和组织对变形影响很大；第三，塑性变形有多种方式，再结晶温度下的塑性变形有晶内滑移和孪动、位错(位错分多种形式)，再结晶温度上的塑性变形有晶间滑移、多晶体扩散和相变变形等；第四，变形温度、变形速度的影响；第五，变形体内部应力状态的影响；第六，摩擦与润滑的影响；第七，材料塑性变形后，当变形体内部各部分变形不一致时，物体内部产生相互牵制和自相平衡的负应力。

　　由于在板料冲压成型过程中，模具的刚性通常远远大于板料的刚性，因此模具的变形相对板料的变形来说极小，可以忽略不计。

　　在冲压成形过程的计算机仿真中应考虑的问题归结为如下几个方面：

　　(1)板料的大位移、大转动和大应变条件下的弹塑性变形的描述和计算。

　　(2)板料与模具间法向接触力的计算。

　　(3)板料与模具接触面间摩擦的描述及摩擦力的计算。

　　(4)模具的几何描述和运动计算。

　　(5)压力机加载过程的描述和模拟。

　　板料成形的工艺主要有冲压工艺设计(包括毛坯尺寸计算、分步成形计算等)、模具设计、冲压设备选择和成形缺陷预测与消除等。

　　板料成形需要解决的主要问题包括缺陷(起皱、拉裂、回弹)预防、压边力确定、模具磨损的影响、润滑方案确定、成形力确定、毛坯尺寸确定和压延筋布置等。

　　基本的板料成形有圆筒件拉伸、凸缘圆筒件拉伸、盒形件拉伸、局部成型、弯曲成型、翻边成型和胀型等。基本的板料成形，有一些经验公式和类似零件作为参考。但对于复杂的板料成形，其各部位是连在一起的，相互牵联和制约，故不要把变形性质不同的部分孤立地看待，要考虑不同部位的相互影响，才不会造成失误。

　　三、板料成形CAE市场软件简介

　　较多的公司都推出了非常适合于模具设计工程师使用的板料成形数值模拟软件。国外比较有名的商业化板料成形数值模拟软件有ESI公司的PAM-STAMP、美国ETA公司的DYNAFORM和瑞士ETH公司的AUTOFORM等。

　　这些软件采用自适应网格技术，实现显隐式无缝转换，精度较高，用一步法作坯料快速开发，具有较强的模面设计功能和焊板成形分析功能。这些公司的的产品较为全面，涵盖了板料成形模拟的多个方面，广泛应用于拉伸、切边、翻边、弯曲、多工位成形、液压胀形和弯管等领域。在自适应网格技术是在模拟成形过程中，在坯料遇到比较剧烈变形时自动进行局部区域的网格细分，以提高这些部位计算的准确度。自适应网格技术对冲压成形是至关重要的，因为初始的冲压板材通常比较平坦、形状很简单，刚开始就采用较小的网格，计算时间将很长。到成形后期，板材变的非常复杂，网格不细将无法提高计算精度，自适应网格技术刚好解决了这一问题，并在时间与精度上巧妙地取得了平衡。自适应网格技术提高了对零件的表面质量(表面缺陷、擦伤、微皱纹等现象)判断的准确性。

　　我国近几年也开发了较为成熟的板料成形CAE市场软件，如华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室开发的FASTAMP以及元计算科技发展有限公司的FELAC等。

　　四、板料成形CAE市场软件的应用要求

　　数值模拟计算已经与理论分析、试验研究成为科学技术探索研究的三个相互依存、不可缺少的手段。目前的板料成形CAE市场分析软件已完全适合设计及工艺人员使用，完全工艺化的风格，使工程师不必去关心细节部分的力学模型，只按实际冲压条件作好网格划分、约束条件、冲压条件及边界条件等预处理工作。在应用中，板料成形CAE软件的应用要求有：

　　(1)掌握网格划分技术的指导思想、划分原则，保证有效性。

　　在现在的板料成形CAE市场分析软件中，都提供了自动划分网格功能，并且大部分软件采用了自适应网格划分技术，所以网格划分的操作非常简单，但需要分析人员对网格的有效性进行判断并确认，对细节区域的网格进行修补或重划分。

　　(2)要以现实冲压条件为基础，掌握实际冲压条件的数学描述方法。

　　在板料成形CAE市场分析软件中，一定要结合实际冲压条件，掌握实际冲压条件的数学描述方法。否则，CAE市场分析只能成为理论分析，不能应用于实际生产。要准确描述实际冲压条件，需要进行大量的调查分析。

　　(3)CAE分析与经验学习积累同等重要。

　　采用CAE分析的同时，不可忽视经验的学习积累。如在欧美多数采用仿真设计，但在日本，模具设计师通常更多的是依靠经验来设计模具。经验的重要性体现在：1)在板料成形CAE分析的预处理过程中，好的工艺辅助面及拉延筋可以快速达到预期的目的；2)在后处理分析发现成形缺陷时，通过什么方法来改善，需要有丰富的经验。

　　(4)CAE分析必须与零件及模具的CAD/CAM并行交互。

　　CAE分析是为零件及模具的设计和工艺参数优化等服务的，不能将CAE分析孤立，而应该更多地渗入零件及模具的设计、工艺设计，及早地改善模具设计，优化工艺参数，甚至改进零件设计，才能缩短开发周期，降低开发成本。

　　五、结论

　　板料拉深成形是汽车、航空工业领域中一种重要的加工方法。板料拉深成形中经常产生起皱、破裂、残余应力、回弹等问题，这些问题主要是受材料的成形性能、压边力、毛坯的形状和尺寸以及模具的几何形状等因素的影响。采用传统的实验方法逐一分析各种因素对板料成形的影响将耗费大量的时间和人力物力。随着计算机模拟和仿真技术的发展，板料拉深成形过程的分析、缺陷分布等问题都可以通过有限元模拟软件预测分析。

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